中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
火災(zāi)是當(dāng)今世界發(fā)生頻率較高且極具毀滅性的災(zāi)難，隨著交通行業(yè)的發(fā)展，由于交通事故等原因造成的橋梁火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生。橋梁火災(zāi)發(fā)生后，其結(jié)構(gòu)材料由于高溫作用，力學(xué)性能會(huì)發(fā)生一定的劣化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力有所下降，給橋梁的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不利影響。中小跨徑混凝土橋梁在目前運(yùn)營(yíng)的橋梁中占有較大的比例，本文針對(duì)性地選擇預(yù)應(yīng)力混凝土空心板簡(jiǎn)支梁作為研究對(duì)象，對(duì)其火損后的承載能力進(jìn)行分析，為管養(yǎng)單位對(duì)橋梁火災(zāi)后的交通量管制提供依據(jù)，同時(shí)也作為橋梁后續(xù)加固的參考。
材料高溫后力學(xué)性能的劣化
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的組成材料包括混凝土、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力筋主要有鋼絞線(xiàn)、高強(qiáng)鋼絲和精軋螺紋鋼筋。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在遭受火災(zāi)后，其結(jié)構(gòu)整體性能會(huì)發(fā)生劣化，而要對(duì)火損后的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力分析，首先需研究其組成材料高溫后的性能劣化規(guī)律，此前已有學(xué)者對(duì)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。
火災(zāi)高溫后的混凝土性能
混凝土經(jīng)歷火災(zāi)高溫后的性能劣化主要分為兩階段，一是火災(zāi)過(guò)程中，混凝土各組分在高溫下會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，致使其力學(xué)性能不斷劣化；二是火災(zāi)后，混凝土在高溫冷卻時(shí)，反應(yīng)生成的CaO又重新吸水膨脹，造成其力學(xué)性能劣化。此外混凝土外部先于內(nèi)部冷卻，形成的反向溫度梯度同樣會(huì)造成損傷。
經(jīng)研究表明,高溫后混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律主要與受火溫度、受火時(shí)間、升溫速率等有關(guān)?；炷粮邷乩鋮s后的強(qiáng)度及彈性模量隨受火溫度的增大而逐漸降低。
災(zāi)高溫后的鋼絞線(xiàn)性能
鋼絞線(xiàn)是由多根高強(qiáng)鋼絲絞合后再進(jìn)行低溫回火處理制成的，而高強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)度來(lái)源于高碳鋼的多次冷拔處理，高碳鋼冷拔處理的產(chǎn)物在高溫下很不穩(wěn)定易于分解，因而鋼絞線(xiàn)的高溫劣化程度要比普通鋼筋大得多。
采用30根1860級(jí)鋼絞線(xiàn)，從室溫20℃到最高溫900℃共分為10個(gè)溫度段，每個(gè)溫度段選3根鋼絞線(xiàn)進(jìn)行1h的恒溫加熱，待空氣中自然冷卻后再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)經(jīng)歷高溫作用并在空氣中自然冷卻后，其性能可發(fā)生變化，但變化程度和變化規(guī)律不盡相同。在20~400℃范圍內(nèi)，鋼絞線(xiàn)的極限強(qiáng)度隨溫度的增加而緩慢下降；400℃以后下降速度加快，700℃時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)；其后鋼絞線(xiàn)的極限強(qiáng)度略有回升。
通過(guò)空心板梁火損程度
評(píng)估梁體承載余力
橋梁火災(zāi)一般分為橋面失火和橋下失火兩種情況，橋面失火預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的熱量向上發(fā)散，且熱量受到橋面系的阻隔，不易對(duì)主梁結(jié)構(gòu)造成過(guò)大損傷。而橋下失火對(duì)主梁更為不利，采用梁體底板單面加熱的方式模擬橋下失火的最不利情況。同時(shí)為使試驗(yàn)真實(shí)反映梁體受火后結(jié)構(gòu)的損傷程度，準(zhǔn)確評(píng)估梁體的剩余承載力，進(jìn)行了空心板梁火損的足尺試驗(yàn)。
試驗(yàn)設(shè)置
試驗(yàn)梁共選取四片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，跨徑13m，C50混凝土，底板單排布置10根1860級(jí)φs15.2鋼絞線(xiàn)。截面的具體尺寸如圖1所示：
圖1 空心板梁截面尺寸（單位：cm）
試驗(yàn)加熱區(qū)域?yàn)榭招陌辶旱酌婵缰邢騼蓚?cè)各2.5m的范圍，梁體簡(jiǎn)支，如圖2所示；
圖2 試驗(yàn)梁底板受火區(qū)域示意（單位：cm）
四片梁依次編號(hào)為1～4#，其中1#梁作為標(biāo)準(zhǔn)梁進(jìn)行加載試驗(yàn)以得出其實(shí)際承載力，2～4#梁受火時(shí)間分別為1h、1.5h和1.5h，試驗(yàn)時(shí)爐內(nèi)升溫曲線(xiàn)為ISO834曲線(xiàn)。
板梁預(yù)制時(shí)在跨中截面埋置了K型鎧裝熱電偶作為溫度傳感器，五個(gè)熱電偶到底板的距離分別為2cm、4cm、6cm、8cm和10cm?？缰薪孛鏌犭娕寂c鋼絞線(xiàn)的相對(duì)位置示意如圖3所示。
圖3 熱電偶埋設(shè)位置示意（單位：cm）
火損試驗(yàn)現(xiàn)象
三片空心板梁先后進(jìn)行了火損試驗(yàn)，除火損時(shí)間設(shè)置不同，其他試驗(yàn)條件基本相同。試驗(yàn)中三片梁體都出現(xiàn)了混凝土內(nèi)水分蒸發(fā)，梁體下?lián)系默F(xiàn)象。比較值得關(guān)注的是，三片梁體底板出現(xiàn)了不同程度的爆裂現(xiàn)象且差別較大，具體如下：
1．2#梁爆裂程度較為輕微，僅受火區(qū)梁端發(fā)生局部爆裂，爆裂深度較淺。
2．3#梁爆裂最嚴(yán)重，受火的5m范圍全部發(fā)生了爆裂，但爆裂深度分布不均勻，平均深度2~3cm，最深處超過(guò)5cm，爆裂導(dǎo)致多處箍筋裸露，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鋼絞線(xiàn)外露。
3．4#梁爆裂較3#梁輕，火損區(qū)域內(nèi)爆裂面積約40%，集中在受火區(qū)的端部，最深處超過(guò)6cm，并有一根鋼絞線(xiàn)裸露，而跨中區(qū)域基本無(wú)爆裂。
溫度是火損評(píng)估的分析基礎(chǔ)
火災(zāi)后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度與過(guò)火溫度和燃燒時(shí)間有關(guān)，換言之，火災(zāi)中溫度隨時(shí)間的發(fā)展及造成的構(gòu)件內(nèi)部溫度分布，是損傷評(píng)估的分析基礎(chǔ)，通過(guò)在梁體內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器可獲得板梁內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化規(guī)律。
火災(zāi)試驗(yàn)中，加熱爐預(yù)留有熱電偶測(cè)得爐溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果整理如圖4所示?？梢?jiàn)，升溫階段的爐溫?cái)?shù)據(jù)與ISO834曲線(xiàn)較為吻合。另外，ISO834曲線(xiàn)沒(méi)有模擬降溫階段，而實(shí)際熄火后爐溫會(huì)逐漸下降。
圖4 加熱爐溫度變化
為研究火災(zāi)試驗(yàn)中空心梁內(nèi)部溫度場(chǎng)規(guī)律，利用Ansys軟件建立空心板梁熱傳導(dǎo)平面模型，以進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。以受火時(shí)間為1.5h的空心板梁為例，混凝土采用Plan55單元模擬，導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱容c和密度ρ均采用歐洲規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)?？招陌辶旱倪吔鐥l件考慮如下：
1．空心板梁受火面為底面，與火焰空氣的熱交換由對(duì)流換熱和熱輻射兩部分組成；
2．背火面與空氣為對(duì)流換熱。此外，底板兩側(cè)由于隔熱材料覆蓋，熱量交換很小，取絕熱邊界條件。
3．內(nèi)腔邊界條件由內(nèi)腔壁與空氣對(duì)流換熱，和內(nèi)壁面之間的輻射換熱組成，環(huán)境溫度以試驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)內(nèi)壁溫度為準(zhǔn)。
圖5 熄火80min時(shí)溫度分布云圖
為更清晰地看出距底板不同高度處的溫度變化規(guī)律，提取距底板高度分別為2cm、4cm、6cm、8cm和10cm這五個(gè)位置的溫度數(shù)據(jù)，并與預(yù)埋溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如下圖：
圖6 溫度場(chǎng)分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比
可見(jiàn)，ANSYS計(jì)算結(jié)果與溫度傳感器的數(shù)據(jù)獲取結(jié)果大致吻合?？筛鶕?jù)ANSYS分析結(jié)果，求得底板受火時(shí)間為1h、1.5h，空心板梁中間鋼絞線(xiàn)（不考慮混凝土爆裂）的溫度變化曲線(xiàn)如下：
圖7 空心板梁鋼絞線(xiàn)溫度變化曲線(xiàn)
在空心板梁底板受火時(shí)間為1h、1.5h，鋼絞線(xiàn)經(jīng)歷的最高溫度分別為319℃和398℃。根據(jù)式1計(jì)算得知，鋼絞線(xiàn)極限強(qiáng)度分別折減為原來(lái)的93.9%和81.4%。
火損后梁體間的承載差異
空心板梁加載試驗(yàn)
為研究火損后空心板梁實(shí)際承載力的大小，在試驗(yàn)室內(nèi)利用反力架分別對(duì)四片梁進(jìn)行加載試驗(yàn)，加載方式為兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載，兩加載點(diǎn)間距3m，布置時(shí)僅使用一個(gè)千斤頂，利用分配梁將單個(gè)千斤頂?shù)膲毫种羶蓚€(gè)加載點(diǎn)。千斤頂與反力架之間設(shè)有壓力傳感器，從而準(zhǔn)確測(cè)得加載力的大小。加載設(shè)備布置如圖8所示：
圖8 空心板梁加載試驗(yàn)示意（單位：cm）
加載的同時(shí)，對(duì)空心板梁跨中撓度也進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量。通過(guò)加載試驗(yàn)，得到各片梁最大承載力及對(duì)應(yīng)的撓度大小，如表1所示。
各片梁加載過(guò)程的荷載—位移曲線(xiàn)如圖9，加載過(guò)程如下：
圖9 空心板梁加載試驗(yàn)荷載-撓度曲線(xiàn)
(1) 1#梁分級(jí)加載至混凝土頂板壓碎，未有異常現(xiàn)象。
(2) 2#梁加載至1#梁破壞荷載的97%后人為終止加載(考慮后期吊裝清運(yùn)的安全)。可以判斷，2#梁還有繼續(xù)加載的空間，其抗彎承載能力相比1#梁沒(méi)有大幅降低。
(3) 3#梁加載至328kN(1#梁破壞荷載的70%)時(shí)鋼絞線(xiàn)發(fā)生斷裂，繼續(xù)加載時(shí)隨即又發(fā)生兩次鋼絞線(xiàn)斷裂，千斤頂?shù)膲毫χ祻?28kN降至259kN。
(4) 4#梁加載至354kN時(shí)有一根鋼絞線(xiàn)斷裂，且斷裂的鋼絞線(xiàn)正是受火過(guò)程中外露的一根。繼續(xù)加載至1#梁破壞荷載的90%(422.7kN)時(shí)終止加載。
從圖9中可以看出，火損后空心板梁彈性階段的截面剛度有所下降，三片火損梁彈性階段的撓度斜率明顯大于對(duì)照梁。這是由于彈性階段板梁為全截面參與工作，火損中底板混凝土的剝落及爆裂直接削弱了截面。同時(shí)，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，都會(huì)使梁體的截面剛度降低，并且火損時(shí)間越長(zhǎng)，爆裂越嚴(yán)重，火損后梁體的截面剛度越低。
火損后承載力分析
本次試驗(yàn)采用僅對(duì)梁體底板單面加熱的方式，由于混凝土良好的隔熱性能，其腹板和頂板的溫度變化幅度有限。同時(shí)，板梁受高溫影響的底板區(qū)域在加載時(shí)屬于受拉區(qū)，在分析梁體極限承載力時(shí)，通常忽略此區(qū)域混凝土的作用，故而要準(zhǔn)確評(píng)估梁體火損后的極限承載力，關(guān)鍵是對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的強(qiáng)度折減進(jìn)行分析。
2#梁受火時(shí)間為1h，根據(jù)火損試驗(yàn)溫度場(chǎng)分析結(jié)果，鋼絞線(xiàn)經(jīng)歷的最高溫度為319℃，強(qiáng)度折減為原來(lái)的93.9%。因此，2#梁的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了火災(zāi)中若鋼絞線(xiàn)溫度較低，則空心板梁在高溫冷卻后，抗彎承載能力降低幅度較小。
3#梁理論上經(jīng)歷的最高溫為398℃，但由于其底板受火過(guò)程中發(fā)生大范圍的混凝土爆裂，使鋼絞線(xiàn)受火溫度較高，強(qiáng)度折減較大。4#梁由于只有一根鋼絞線(xiàn)因混凝土爆裂而受火溫度較高，其他鋼絞線(xiàn)強(qiáng)度折減較小，故而在此根鋼絞線(xiàn)斷裂后，4#梁仍具有較大的承載力。3#梁與4#梁雖受火時(shí)間相同，但因受火過(guò)程中底板混凝土爆裂程度的差異，致使火損后兩片梁的剩余承載力大小也發(fā)生較大差異。
針對(duì)三片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁的火損試驗(yàn)，進(jìn)行空心板梁內(nèi)部的溫度場(chǎng)分析。再結(jié)合空心板梁火損后的加載試驗(yàn)結(jié)果，與對(duì)照梁的加載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)火損后空心板梁的剩余承載力進(jìn)行分析?？梢钥闯?，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁受火損后，在加載的彈性階段，其截面剛度會(huì)有所降低，并且火損時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土爆裂越嚴(yán)重，火損后梁體截面剛度降得越低?？招陌辶旱装迨芑饡r(shí)，若混凝土爆裂輕微，可根據(jù)溫度場(chǎng)分析判斷鋼絞線(xiàn)的最大過(guò)火溫度，從而對(duì)空心板梁的剩余承載力進(jìn)行評(píng)估?？招陌辶旱装迨芑饡r(shí)，相比于受火時(shí)間，混凝土爆裂對(duì)空心板梁火損后剩余承載力大小的影響更大。火災(zāi)中混凝土爆裂，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致鋼絞線(xiàn)外露，會(huì)使鋼絞線(xiàn)過(guò)火溫度較高，從而導(dǎo)致火損后板梁的承載能力明顯下降。
針對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁底板受火過(guò)程中出現(xiàn)混凝土爆裂的現(xiàn)象，在溫度場(chǎng)分析時(shí)，應(yīng)計(jì)及混凝土爆裂對(duì)空心板梁內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，以準(zhǔn)確判斷鋼絞線(xiàn)所經(jīng)歷的最高溫度，從而對(duì)梁體的剩余承載力作出正確的評(píng)估。
本文刊載 / 《大橋養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營(yíng)》雜志 2021年 第3期 總第15期
作者 / 金世安 劉其偉
作者單位 / 江蘇泰州大橋有限公司
東南大學(xué)交通學(xué)院
